مختبر أبراج إسقاط لمحاكاة التجريبية من التصادم الغبار والركام في النظام الشمسي المبكر
Summary
نقدم تقنية لتحقيق سرعة منخفضة إلى متوسطة السرعة الاصطدامات بين المجاميع الغبار الهشة في المختبر. لهذا الغرض، تم وضع اثنين من فراغ الاجهزة قطرة برج تسمح سرعات التصادم بين <0.01 و~ 10 م / ثانية. يتم تسجيل الأحداث الاصطدام بواسطة التصوير عالية السرعة.
Abstract
لغرض التحقيق في تطور المجاميع الغبار في النظام الشمسي المبكر، قمنا بتطوير برجين انخفاض الفراغ الذي المجاميع الغبار الهشة مع أحجام تصل إلى ~ 10 سم ومسامية تصل إلى 70٪ ويمكن اصطدمت. أحد الأبراج انخفاض يستخدم في المقام الأول لسرعات تأثير منخفض جدا أسفل إلى ما دون 0.01 متر / ثانية ويجعل من استخدام آلية إطلاق مزدوجة. وتسجل في اصطدام ستيريو عرض من قبل اثنين من كاميرات عالية السرعة، والتي تقع على طول أنبوب زجاجي فراغ في الإطار الوسط من الكتلة اثنين من المجاميع الغبار. برج السقوط الحر غيرها يجعل من استخدام مسرع الكهرومغناطيسية التي هي قادرة على تسريع بلطف المجاميع الغبار ليصل إلى 5 أمتار / ثانية. في تركيبة مع الافراج عن الغبار الكلي أخرى لسقوط حر، والتصادم بسرعة تصل إلى ~ يمكن تحقيق 10 م / ثانية. هنا، وهما ثابت كاميرات عالية السرعة تسجيل الأحداث الاصطدام. في كلا البرجين وهبوط، والمجاميع الغبار في السقوط الحر خلال الاصطدام بحيث تكون مطابقة انعدام الوزن والظروف في النظام الشمسي المبكر.
Introduction
ومن المسلم به عموما أن تشكيل الكوكب يبدأ مع تراكم غير الجاذبية من حبيبات الغبار الصغيرة مجهريا في المجاميع الغبار الكبيرة (انظر مراجعة من قبل بلوم وورم) 1. وتتصادم جزيئات الغبار داخل الأقراص الخاصة بهم الكواكب الأولية بسبب الحركة البراونية، الاقتراحات الانجراف النسبية، والاضطراب من الغاز السديمية (انظر مراجعة من قبل يوهانسن وآخرون.) 2. إذا سرعات التصادم منخفضة بما فيه الكفاية، وجزيئات الغبار تلتصق ببعضها البعض لتشكيل تكتلات أكبر. وقد أدت ثروة من القياسات المخبرية على مدى السنوات الماضية إلى نموذج الاصطدام الغبار التجميعية التي يتوقع نتائج من زوج من الركام والغبار مع الجماهير التعسفي وسرعات تصادم 3. نتائج الاصطدامية الأساسية متمسكون (بشكل عام لجماهير الكلي الصغيرة والسرعات المنخفضة الاصطدام)، كذاب، وتجزئة (لسرعات عالية التأثير). ومع ذلك، فإن الانتقال بين هذه المراحل ليست حادة وهناك غيرهاالنتائج، مثل، على سبيل المثال نقل الجماعي أو تآكل. تطبيق هذا النموذج على قرص الكواكب الأولية النموذجية تتوقع نمو المجاميع الغبار سم الحجم في غضون بضعة آلاف سنة 4. وقد تم التحقيق وجود سم الحجم المجاميع الغبار على نطاق واسع من قبل الأرصاد الفلكية على مدى السنوات الماضية ويمكن الآن أن تعتبر المنشأة (انظر مراجعة من قبل تيستي وآخرون.) 5 بحيث نستنتج أن آلية المبدأ الذي الهيئات العيانية الأولى في الأنظمة الكوكبية الشباب تم التعرف النموذج.
ومع ذلك، فإن النمو إلى مزيد من جثث أحجام كيلومتر على الأقل ليست واضحة جدا. للمنطقة الأرضية الكوكب، وتناقش فرضيتين حاليا (انظر أيضا أحدث التعليقات على هذا الموضوع عن طريق يوهانسن وآخرون (2) وتيستي وآخرون 5.): (ط) تركيز الركام والغبار سم الحجم من قبل، على سبيل المثال بث عدم الاستقرار والجاذبية 6 اللاحقةانهيار الاقلية البرلمانية 7،8 و (ب) نمو عدد قليل من "الفائزين" إلى أحجام أكبر مع تراكم الشامل لاحقة من عملية نقل الجماعي 9،10،11. في كلا النموذجين، سم، الحجم المجاميع الغبار الخضوع لعدد هائل من الاصطدامات المتبادلة على الأقل إلى السرعات المعتدلة. ومن غير الواضح ما النتائج المحتملة لهذه التصادمات (إلى جانب كذاب) هي.
لتحسين نموذج الاصطدام الغبار الكلي من قبل Güttler وآخرون. 3 والتحقيق في مزيد من التفاصيل في اصطدام بين المجاميع الغبار العيانية في الأنظمة ذات الصلة سرعة، أنشأنا برجين انخفاض في مختبرنا، الذي الفردية الاصطدامات الكلي-الكلي يمكن أن تدرس بتفصيل كبير تحت فراغ والجاذبية الصغرى الظروف. كلا البرجين انخفاض تمتلك ارتفاع السقوط الحر من 1.5 متر، مما يحد من الوقت لمراقبة ~ 0.5 ثانية. وهكذا، نلاحظ الاصطدامات بواسطة كاميرات عالية السرعة مع شكل ميجابيكسل وتصل إلى 7،500 لقطة في الثانية.لأقصى قدر من التباين وسرعة تسجيل عالية، يتم اختيار الإضاءة مشرق الميدان. وبالتالي تم توفير الإضاءة عالية الكثافة من قبل فريقي LED وشاشات المتجانس من قبل الناشر. وبالتالي، عرض كاميرات عالية السرعة الغبار اصطدامه المجاميع كائنات الظلام أمام شاشة مضيئة. لتجنب الخفقان، والمصابيح هي العاصمة بالطاقة.
لتحقيق السرعات المنخفضة الاصطدام، يتم وضع اثنين من المجاميع الغبار فوق بعضها البعض في آلية إطلاق مزدوجة. الإفراج عن مجموعها العلوي وقت ر قبل أقل واحد النتائج في السرعة النسبية للت = GT، مع ز = 9.81 متر / ثانية 2 كونها تسارع الجاذبية للأرض. واثنين من الكاميرات عالية السرعة، والتي عرض الاصطدام من اتجاهين 90 ° بصرف النظر، وعادة ما تكون بين اثنين من صدر في المجاميع الغبار (عادة ر / 2 بعد الجسيمات العليا). كاميرات تشغيل في الوضع المستمر تسجيل، والتي تم إنهاء بسبب تأثير الكاميراأصحاب الدلاء في الرمال. معدل الإطار الأقصى في هذا الوضع التشغيلي 1،000 صورة في الثانية الواحدة في قرار ميغابيكسل. مع هذا الإعداد، وسرعات أسفل إلى ما دون 0.01 تحققت م / ثانية. بسبب القيود المفروضة على الإعداد الميكانيكية لآلية الإفراج مزدوجة، والحد الأقصى النسبي سرعة الاصطدام هو ~ 3 م / ثانية. وقد تم التحقيق الاصطدامات التي تنطوي على المجاميع الغبار مع ما يصل الى 5 سم في الحجم في هذا البرج الهبوط. لسرعات تصل إلى أعلى الاصطدام ~ 10 م / ثانية، ويستخدم برج الانخفاض الثاني، وهي مجهزة مسرع الكهرومغناطيسية التي هي قادرة على تسريع بسلاسة الغبار المجاميع تصل إلى 5 م / ثانية في اتجاه صاعد العمودي. يقام مجموعها الغبار الآخرين من خلال فخ الباب آلية إطلاق مزدوجة الجناحين، ويمكن أن يتم الافراج خالية من التناوب في سقوط حر في أي وقت من الأوقات. هنا، فإنه لا معنى لاستخدام الكاميرات خالية من السقوط. نحن استخدام اثنين بدلا ثابتة كاميرات عالية السرعة مع ما يصل إلى 7،500 لقطة في الثانية وميجابيكسل القرار. ويرجع ذلك إلى diamet أكبرإيه من هذا البرج قطرة والغبار المجاميع تصل إلى (وربما أعلاه) 10 سم في حجم يمكن استخدامها.
Protocol
Representative Results
Discussion
نظرا لدقة ميكانيكية عالية، ومعدل فشل كلا البرجين انخفاض منخفضة للغاية. هذا أمر في غاية الأهمية، وذلك لأن إعداد العينات قد يستغرق فترة تصل إلى عدة ساعات، وهذا يتوقف على حجم وشكل ومسامية المجاميع الغبار المطلوب. وتجدر الإشارة إلى أن مجاميع كبيرة مع الغبار مسامية عالية جدا هشة للغاية، وبالتالي، من الصعب التعامل معها. أنه قد يحدث أن هذه المجاميع الغبار كسر أثناء استخراج قبالة العفن أو نقلها إلى برج الانخفاض. في هذه الحالات، عينة جديدة يجب أن تكون مستعدة. وبالتالي، فمن المهم أن البرج قطرة صغيرة يسمح موثوق بها (ويمكن التنبؤ بها) سرعات التصادم وصولا الى 0.01 متر / ثانية 11،13. كان أقل سرعة تأثير تحققت حتى الآن 0.004 متر / ثانية. لا يمكن إلا أن يتم التوصل إلى هذه السرعات أثر صغير للجزيئات الحرة في بيئة الجاذبية الصغرى. برج الانخفاض المختبر هو تحقيق رخيصة ومتنوعة من مثل هذا المرفق الجاذبية الصغرى.
Alternatiلقد طرق لتحقيق سرعات تأثير المنخفض الاستفادة من التقنيات الارتفاع 14،15 (مثلا عن طريق القطار الكهرومغناطيسي أو الهوائية) ولكن عموما لحث قوة بين الجسيمات المتصادمة، والذي يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار في التحليل من الاصطدامات. علاوة على ذلك، غالبا ما يدفع الارتفاع الحركة الدورانية 14، والذي، إذا غير المرغوب فيها، لا يسمح الاصطدامات خالية من التناوب، ولكن من ناحية أخرى، قد تسمح حتى محاكاة واقعية لاصطدام بين جزيئات الدورية. في حالة الارتفاع الهوائية، والآثار ذات الوسائد الهوائية أثناء الاصطدام ربما تتسبب في الظروف غير المرغوب فيها التي لا تتطابق مع تلك الموجودة أقراص الكواكب الأولية. ومع ذلك، يسمح الارتفاع لفترة غير محدودة الملاحظة والتجارب للتكرار بحيث لابد من النظر بديل للبرج الانخفاض إذا كان ضيق الوقت أمر ضروري. وقد تركزت كل جهودنا حتى الآن على شافي 2 كممثل للسيليكات في تشكيل الأرضية الكوكب صegion من أنظمة الطاقة الشمسية الشباب. كما يتركز معظم كتلة أقراص الكواكب الأولية أبعد نقطة التكثيف من جليد الماء، فمن الضروري أيضا لدراسة سلوك اصطدام المجاميع تتكون من H 2 O الحبوب الجليد ميكرون الحجم. نحن حاليا بإنشاء برج انخفاض البرد فراغ لهذا الغرض. وتجدر الإشارة إلى أن درجات الحرارة في مثل هذه التجارب يجب أن تكون تحت محاكاة ~ 150 K، التي هي درجة الحرارة من ما يسمى ب "خط الثلج" في أقراص الكواكب الأولية ("الخط الثلوج" يقسم المناطق الداخلية حيث الماء في بخار مرحلة من المناطق الخارجية حيث تم العثور على أنها جليد الماء الصلبة). لقد أظهرنا أن تشكيل جزيئات الماء الجليد ميكرون الحجم أمر ممكن وأن المجاميع منها يمكن أن تنتج 16 بحيث نحن متفائلون أن يكون أولا على السلوك باصطدامها في غضون السنوات 1-2 القادمة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), and the TU Braunschweig for continual support of our laboratory activities. The low-velocity drop tower has been established under DLR grant 50WM0936, the high-velocity drop tower has been developed under DFG grant INST 186/959-1 as part of the CRC 963 “Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence”.
Materials
| Monodisperse SiO2 particles | Micromod | 43-00-153 | Particle diameter 1.52 ± 0.06 µm; particle shape spherical |
| Polydisperse SiO2 particles | Sigma-Aldrich | S5631 | Particle diameter 0.1 – 10 µm; particle shape irregular |
References
- Blum, J., Wurm, G. The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).
- Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. The Multifaceted Planetesimal Formation Process. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).
- Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
- Zsom, A., Ormel, C. W., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
- Testi, L., et al. Dust Evolution in Protoplanetary Disks. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).
- Youdin, A. N., Goodman, J. Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).
- Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity. The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).
- Bai, X. N., Stone, J. M. Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation. The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).
- Windmark, F., Birnstiel, T., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h. Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth. Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).
- Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth. Astronomy and Astrophysics. , 544 (2012).
- Garaud, P., Meru, F. From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).
- Schräpler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates. The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).
- Beitz, E., Güttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates. The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).
- Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).
- Jankowski, T., et al. Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains. Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).
- Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments – I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy. Icarus. 214, 717-723 (2011).
